集散控制系统的发展与应用.doc

集散控制系统的发展与应用摘要：在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统是不可缺少的，它虽然能给人们提供一个舒适的环境，但是耗电量也相当大。因此，对中央空调系统进行节能改造，可以大幅度地节约用电，带来可观的经济效益。 空调主机、冷冻泵、冷却泵是大厦中央空调的主要组成部分，国内对空调水泵的设计选配，大多以能耗为代价采用节流调节流量，水泵的调节方法还处于比较落后的状况，造成电能找浪费。从管理角度看，目前大楼中央空调大都采用分散管理就地控制，整个系统不能统一协调，不能很好发挥整个系统协同工作的效果。本文介绍采用变频调速技术与PLC自动控制技术为核心、基于“分散控制、集中管理”思想的中央空调集散控制系统。关键词：集散控制 节能 PLC 一、集散控制系统的体系结构 集散控制系统的“集”是对信息管理而言，“散”是对控制功能而言，DCS系统（Distributed Control System-DCS）既可实现分散控制，又可实现集中管理，目前层次化己成为DCS系统的特点，使之体现集中操作管理、分散控制的思想。DCS系统的层次可分成四级。 1.直接控制级(过程控制级)。在这一级上，过程控制级计算机直接与现场各类装置相连(如检测仪表、执行机构等)，对控制对象实施监测、连续控制和批量控制。同时它向上与第二层的计算机相连、接收上层的控制和管理信息，并向上传递控制装置的特性信息和采集到的实时数据。过程控制级是DCS系统的基础，其主要功能包括:过程数据采集、直接数字的过程控制、设备监测与系统的测试诊断和实施安全性的措施。 2.过程管理级。此级过程管理计算机能实现综合监视生产过程主要信息、模拟化集中显示、控制回路组态和参数修改、生产过程优化处理、运行报告、趋势图显示等。还能实现单元内的整体优化，并对下层产生命令，在这一层主要的功能有优化过程控制、自适应回路控制、实时数据进行模拟画面集中监视。 3.生产管理级。此级管理计算机根据产品各部件的特点、协调各单元级的参数设定，是产品的总体的协调员。 4.经营管理级。经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广。把这些功能集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，综合多种多样的材料和能量调配，以达到最优解决这些问题。 二、集散控制系统的必要性 集散型计算机控制系统，实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新的控制技术，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯技术和人机接口技术相互渗透、相互发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，并在其基础上发展起来的一门新的系统工程技术。目前，集散型计算机控制系统已在工业各领域得到成功运用。 目前，大楼中央空调大都采用分散管理就地控制，整个系统不能统一协调，不能很好发挥整个系统协同工作的效果。如果采用集中控制，由于被控设备分散在大厦各个地方，中央主机到被控设备的连线较长，信号容易受到干扰产生故障，同时由于中央主机集中处理信号，如果中央主机产生故障则整个系统停止工作，可靠性较差。随着计算机技术的高速发展，采用集散型控制系统成为趋势。计算机集散控制系统就是中央主机主要进行报表处理，集中管理，被控对象由带计算机处理功能的现场控制器（主要是直接数字控制器，简称DDC）根据有关参数进行控制。各DDC和中央主机以及各DDC之间实现点对点通讯，传输数据和控制信号。集散控制系统可靠性高，当中央主机发生故障，把控制功能分散在DDC上而数据资料由中央主机集中管理的方法，加强了子系统的独立性、可靠性，并减少了中央主机的工作量，整个系统的性能得到了提高。 三、集散控制系统的可行性分析 由于电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，20世纪90年代变频器技术有了飞跃进步。在我国市场占有量较多的富士通、西门子、三菱、ABB等公司生产的高性能变频器大多有微机接口卡选件，可以用它将微机与变频器连接在一起，通过计算机通讯，实现上位微机程序自动驱动变频器，监视其运行状态和设定/复位其功能参数。这样就可以方便的实现计算机对多台变频器集中控制，使其按照预先的工作流程，准确有序的工作。 可编程控制器（PLC）是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业各个领域。由于采用PLC的控制系统的设备具有可靠性高，控制易于实现，系统设计灵活多样（修改方便），能在实验室内进行现场模拟调试，编程简单，易于安装，性能价格比高，有良好的抗干扰能力等特点，受到用户的欢迎。但是，PLC又无法单独构成完整的控制/管理系统，无法进行复杂的运算，无法显示各种实时图表/曲线（趋势线）和汉字，无良好的用户界面，不便于监控等缺陷，需用上位机或个人计算机（PC），分布式/分级型控制系统或PLC网络中的PC、工控机、工作站执行相应的软件来弥补。随着PLC的通信技术的发展，各PLC制造厂家纷纷开发了适合本公司的各种型号PLC与PC机通信的接口模块，PLC与PC机之间实现通信，就弥补了二者功能上的不足，从而增强了控制系统的功能。 变频器和可编程控制器PLC通信功能的增强，使得中央空调变频调速的集散控制的实现成为可能。实践证明，在中央空调系统中应用变频调速技术和计算机集散控制技术，可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等特点。 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC或PC）是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。四、集散控制系统与PLC控制系统 PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。 1，PLC的主要特点如下： A.用内部已定义的各种辅助继电器代替机械触点继电器，通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接导线，这些内部继电器的节点变位时间可理想化地认为等于零，因此只需考虑它的0-1状态而无需考虑传统继电器所固有的返回系数。 B.可靠性高，抗干扰能力强，适用于复杂的工业环境。 C.配套齐全，功能完善，适用性强，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能。 D.易学易用，照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制采用简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。 经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，尤其在顺序控制、开关量逻辑运算和处理这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已非常成熟。 PLC技术自从引入我国的电力行业后就得到了广泛应用，并发展壮大。 2，PLC控制系统的设计 PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。 2.1 PLC控制系统的硬件设计 硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。 PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85-240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。 PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。 PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6 次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。 如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。 当PLC扫描频率为10次/min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。 对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。 对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。 PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。一般采用以下几种方式: 隔离：由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。 屏蔽：一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。 布线：强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。 2.2PLC控制系统的软件设计 在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。 PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。 基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。 模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。 PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。 程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配，在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表，彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。 五、采用集散控制的实现方法 在中央空调变频调速集散控制系统的总体框图（如图1）中，第一级为中央监控工作站(即PC机)，是集中监控、远程控制、数据处理和中央管理的中心;第二级为直接数字控制器(DDC)变频器和可编程控制器PLC，能独立完成对现场机电设备的数据采集和控制;第三级为现场传感探测元件(如热电阻或者热电偶)及控制执行元件(继电器等)。 系统原理（如图2）的构成:将计算机与控制系统中的PLC、变频器连接起来，计算机作为上位机，PLC、变频器作为下位机进行通信，就构成了PLC、变频器网络的上位连接系统。上位连接系统主要由计算机、上位连接模块、PLC、变频器和电缆组成。上位机可选用IBMPC/XT, Intel 80386以上的计算机及工业控制计算机。PLC、变频器与计算机之间采用串行通信，而PLC、变频器与计算机的资料信息为并行传送，因此要实现PLC、变频器与计算机的通讯就必须要进行并行信号与串行信号间的转换以及要求相应的传送协议，能起这样作用的在计算机方面为RS-232串口，在PLC、变频器方面就是PLC、变频器的上位连接模块。上位连接模块与上位计算机可以用RS-232型电缆连接。 由于此方案中要求上位机与多台PLC和变频器进行通信，因此上位机与PLC和变频器之间采用RS-485连接，一台计算机最多可控制32台PLC或者变频器。RS-485接口采用差动输入和差动输出，具有较强的抗干扰能力，非常适合于环境恶劣的现场工作，而且传输的距离比较远。对于一般计算机，机上只配有RS-232C接口，因此为与PLC或者变频器相连，必须配置有485适配卡，或者RS-232C/RS-485转换器，连接线采用双绞线或屏蔽双绞线。 六、采用集散控制系统后的节电措施及原理 1.节电措施 交流异步电动机的节电措施，就是采用不同方式的调速节能，传统的调速方法大致有两种，一是机械调节，主要是调节风机入出口风门挡板和水泵出口阀门，二是电气调节，如磁力传动、变极电动机传动和直流电动机传动等。这两种调速方法存在的主要问题是能源浪费严重，设备维护困难。交流变频调速技术以改变交流电动机的电源频率来改变交流电动机的速度，是一项较为成熟的高科技成果。这项调速技术所采用的变频器是一种较理想的高效调速装置，目前，变频器的可靠性不断提高，而价格在降低，对于三相异步电动机加装变频器无需改变电路结构。作为变频器本身来讲，它还具有体积小、重量轻、安装操作方便、调速范围平滑、节电效果好、稳定可靠等优点，正逐步取代原有的机械调速、电气调速。 2.节电原理 风机、水泵类负载属于平方转矩负载，即转矩T与转速n的平方成正比，而电机轴的输出功率W，即电机轴上的输出功率与转速的三次方成正比.由此可见，当电机的转速稍有下降时，电机功率损耗就会大幅度的下降，耗电量也就大为减少。过去由于电机转速不可调，电机只能工作在开或停两种状态，即当冷负荷很小的时候，也必须开，电机的功耗远大于实际负荷的需要，从而造成不必要的